WO2019047557A1 - 微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，包括端刃部分、变分屑槽螺旋角周刃部分、恒定分屑槽螺旋角周刃部分和刀柄部分。在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上，设置两条平行的V型容屑槽（1），周刃微齿（6）两边缘处重叠排布，变分屑槽螺旋角周刃部分靠近端刃部分，并指向端刃方向。碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀可提高铣削盲槽时的排屑性能，降低端刃磨损，降低微齿切削刃边缘的切削厚度，有效解决微齿边缘破损的问题，降低铣槽时端刃部分与周刃过渡部分的振动，提高表面质量以及刀具寿命。

Description

微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀 技术领域
本发明属于机械加工中铣削工具技术领域，涉及一种可设计微齿排布的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上，设计有两条平行的V型容屑槽，该结构可提高高速铣削盲槽、盲窗时的排屑性能，降低端刃磨损，同时对周刃微齿进行排布设计，降低微齿切削刃边缘的切削厚度，能够有效解决微齿边缘破损的问题，最终提高窗底、槽底表面质量以及铣刀刀具寿命。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)相比于其它金属材料而言，具有比强度高、耐疲劳性、耐腐蚀性和承载能力强等性能优势，因此，CFRP已成为航空航天交通等领域运载装备及减重增效的优选材料。对于航空航天装备中使用的碳纤维复合材料构件，在其铺放固化成型后，为满足装配尺寸要求，需进行二次加工，特别是在发动机活塞、飞机机翼等构件上需要大量的开盲槽、开盲窗口以及开异形盲孔。高速铣削加工盲槽以及盲窗时形成封闭空间，切削区域温度较高，排泄不畅，存在铣刀端刃磨损严重，槽的出入口处易发生刀尖崩碎等问题，磨损后的端刃将对加工表面粗糙度产生影响，导致槽底加工表面质量难以保证。此外，碳纤维复合材料属于典型的难加工材料，其材料中增强纤维和树脂基体的线膨胀系数不同，增强纤维极易发生脆性断裂，切削刃不断受到基体和纤维的冲击载荷作用，且载荷集中在刀屑接触点附近很小的面积上，尤其在铣削加工时，瞬时切削厚度是不断变化的，导致切削刃承受的切削力呈波动性变化，若切削刃强度不足，将导致切削刃发生破损，从而引起加工表面质量差、刀具寿命低等问题，特别是周刃带有微齿结构的立铣刀，微齿呈一定规则 交错排布，微齿排布能够确定相邻两微齿的重叠部分，若相邻微齿中间部分重叠，而微齿边缘部分未重叠，则导致微齿边缘部分比微齿中间部分切削厚度大，致使边缘部分所受切削力大，同时由于切削刃边缘比较尖锐，强度较低，因此边缘部分更易产生破损。相反，若切削刃边缘部分重合，而微齿中间不重合，则可以减小微齿边缘部分的切削厚度，从而有效保护微齿边缘。因此，为保证复杂切削环境下端刃和周刃具有长时间优秀切削的性能，以及保证铣削盲窗、盲槽时底面和侧面的加工质量，考虑端刃排屑、散热性能以及周刃微齿排布对提高加工表面质量以及微齿铣刀的刀具寿命具有重要意义。
唐臣升等人发明的“整体硬质合金鱼鳞铣刀”，专利申请号200910013142.0，它涉及一种用于碳纤维、玻璃纤维等复合材料的铣削加工的铣刀，采用左、右旋螺旋槽对称交错构成切削单元，切削刃数增至24条，在一定程度上相对于双刃、四刃等铣刀提高了切削效率和加工质量，降低了铣削力。同时为了增加微齿切削的切削深度、提高加工效率，大连理工大学王福吉等人发明的“用于碳纤维复合材料高速铣切的多刃微齿铣刀”，申请专利号201610806761.5，通过负前角及大副偏角设计，辅以微齿切削刃长度的增加，提高了单个微齿的强度。然而上述专利所提及的传统铣刀在端刃部分只有切削刃之间存在容屑槽，在端刃轴线处未设计有容屑槽，在铣削盲窗、盲槽以及异形盲孔等结构时，在铣刀端刃轴线处的切屑因所受离心力小而难以排出，极易聚集于端刃轴线处而不断磨蚀切削刃，导致切削刃因磨损快而难以保证槽底表面加工质量。因此，传统铣刀在盲槽、盲窗铣削加工实际应用中具有一定的局限性。此外，上述发明专利中微齿铣刀设计未考虑微齿排布对切削刃边缘破损的影响，若微齿排布不合理，将导致微齿边缘易破损，从而降低了加工质量和刀具寿命。
发明内容
本发明涉及一种微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上，设计有两条平行的V型容屑槽，以解决因铣削盲槽、盲窗时传统铣刀端刃轴线处离心力小而产生的切屑聚集的问题，铣刀周刃部分考虑特殊微齿排布设计，以解决碳纤维复合材料高速铣削盲槽、盲窗时端刃的排屑和散热性差、磨损严重以及周刃微齿薄弱边缘处崩刃等问题，从而提高铣刀刀具寿命和切削性能。
本发明的技术方案：
为解决端刃排屑难、磨损快的问题，在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上，设计有两条平行的V型容屑槽，V型容屑槽与端刃容屑槽连接并相通，使得高速铣削盲槽、盲窗时端刃轴线处的切屑能快速有效排出，并且将端刃与材料之间的摩擦热快速散出，以达到减少端刃磨损的目的。
一种微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，包括端刃部分I、变分屑槽螺旋角周刃部分II、恒定分屑槽螺旋角周刃部分III和刀柄部分IV；
所述的端刃部分I设计有端刃前刀面2、端刃后刀面3以及端刃第二后刀面4，同时兼有端刃容屑槽5；具有主切削刃前角为0°，第一后角α f1＝7°，第二后角α f2＝14°。
在端刃部分I的以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上设计有平行式的V型容屑槽1，V型容屑槽1呈现槽底窄槽顶宽的结构形状，有助于粉末状碳纤维复合材料切屑快速排出；为保证端刃容屑槽既具有良好的排屑性能，又能与端刃容屑槽紧密相连，在V型容屑槽1设计结构尺寸槽底宽度L1，V型容屑槽槽顶宽度L2，V型容屑槽槽深L3，V型容屑槽1两侧面倾斜角为δ 1＝δ 2。
所述的变分屑槽螺旋角周刃部分II是非对称螺旋交错结构，由m条右旋螺旋槽7与n条左旋分屑槽8交错形成若干等尺寸的微齿6，为了降低铣槽时端刃 部分I与周刃过渡部分的振动，靠近端刃部分I设计有一段变左旋分屑槽8螺旋角的周刃部分II，该周刃部分指向端刃方向，左旋分屑槽8的螺旋角变化关系为γ 1<γ 2<γ 3。
针对微齿薄弱边缘处的崩刃问题，发明一种立铣刀周刃微齿排布设计方法，通过确定铣刀关键结构参数以及刀具结构几何关系计算得到微齿边缘处前后重叠，微齿两边缘重叠排布方式能有效降低边缘处的切削厚度，从而避免在薄弱边缘处出现易崩刃的现象，实现碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工。将三维立体铣刀沿轴向剖开后展开，选择表征排布方式的恒定分屑槽螺旋角周刃部分III，形成以切向和轴向为坐标系的二维铣刀微齿布局图，右旋螺旋槽7与左旋分屑槽8交错形成微齿6，微齿6包含下边缘部分9和上边缘部分10；铣刀设计过程，刀具几何参数已知，微齿6的长度A、右旋螺旋槽7的槽宽B、右旋螺旋槽7的螺旋角θ、铣刀刃数Z 1、铣刀直径D，而微齿6的排布方式主要由变量：左旋分屑槽8切向长度d，微齿6齿间宽度c，左旋分屑槽7的螺旋角β，微齿6切向长度f，左旋分屑槽8槽数Z 2决定；具体设计方法步骤如下：
步骤1：由铣刀直径D和铣刀刃数Z 1，计算出微齿6齿间宽度c；
Figure PCTCN2018087193-appb-000001
步骤2：选取左旋分屑槽8的切向长度d作为自变量参数，以右旋螺旋槽7槽宽B与左旋分屑槽8切向长度d边建立三角形，由该三角形几何关系，计算出左旋分屑槽螺旋角β；
Figure PCTCN2018087193-appb-000002
同理，以微齿6长度A和微齿6切向长度f为边长建立三角形，由该三角形几何关系，计算出微齿切向长度f和左旋分屑槽槽数Z 2；
Figure PCTCN2018087193-appb-000003
f＝(π×D÷Z 2)-d     (4)
步骤3：判断是否满足关系d<c<f，若满足，则每一个微齿6的下边缘部分9和上边缘部分10被前一个微齿6切削刃覆盖，形成微齿6两边缘处重叠排布的方式，若不满足，则回到步骤2重新选取分屑槽切向长度d。
本发明的有益效果是发明了一种微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上，设计有两条平行的V型容屑槽，在铣槽或者盲窗铣削加工时能够及时将端刃轴线处的切屑以及热量迅速排出，避免在切屑和热量的混合作用下端刃磨损严重，减少刀具更换时间，从而提高槽底表面加工质量以及加工效率。在铣削碳纤维复合材料盲窗、盲槽时，微齿两边缘部分重合的排布方式使得微齿边缘部位去除材料前，总有前一个微齿完成对材料的部分去除，因此，这种排布方式能降低微齿两边缘处的切削厚度，从而减少薄弱边缘破损，在长切削行程下，保证微齿的优秀切削性能，从而提高盲槽、盲窗侧壁表面加工质量。采用周刃到端刃过渡部分变螺旋角的分屑槽，是采用以扰动再生颤振效应实现抑制振动的被动方法，能够有效抑制高效铣削加工时的颤振。满足不同纤维级别、不同厚度、多种铺层方式碳纤维复合材料构件的高质、高效加工需求。
附图说明
图1是微齿排布可设计的带端刃立铣刀结构示意图。
图2是带端刃立铣刀的左视图。
图3是图1的端刃放大视图。
图4是变分屑槽螺旋角周刃部分。
图5是微齿两边缘重叠排布方式计算流程图。
图6是微齿两边缘重叠排布方式展开图。
图7(a)是实施例1的三维刀具。
图7(b)是实施例2的三维刀具。
图8(a)是微齿两边缘重叠排布方式的铣刀微齿磨损。
图8(b)是未考虑微齿排布方式的铣刀微齿磨损。
图中：I端刃部分；II变分屑槽螺旋角周刃部分；III恒定分屑槽螺旋角周刃部分；IV刀柄部分；1V型容屑槽；2端刃前刀面；3端刃后刀面；4端刃第二后刀面；5端刃容屑槽；6微齿；7右旋螺旋槽；8左旋分屑槽；9下边缘部分；10上边缘部分；L1V型容屑槽槽底宽度；L2V型容屑槽槽顶宽度；L3V型容屑槽深度；L4端刃容屑槽深度；L5分屑槽螺旋角为γ 1时的周刃长度；L6分屑槽螺旋角为γ 2时的周刃长度；L7分屑槽螺旋角为γ 3时的周刃长度；γ 1、γ 2、γ 3为不等左旋分屑槽螺旋角；α f1端刃第一后角；α f2端刃第二后角；δ 1V型容屑槽左侧面倾斜角；δ 2V型容屑槽右侧面倾斜角；A微齿长度；B分屑槽宽度；θ右旋螺旋槽的螺旋角；Z 1铣刀刃数；D铣刀直径；d分屑槽切向长度；c微齿齿间宽度；β左旋分屑槽的螺旋角；f微齿切向长度；Z 2分屑槽槽数。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
最佳实施例
图2是本发明的权利要求1中所要求保护的V型容屑槽结构示意图，图5 及图6是本发明的权利要求2中所要求保护的铣刀周刃的微齿排布设计方法。从图中可以看出，该V型容屑槽结构能够顺利将切屑以及切削热排出槽底，避免切屑囤积切削刃与加工表面之间，引起端刃磨损严重。该微齿排布设计方法保证呈微齿两边缘重叠排布的方式，该方式能有效避免微齿边缘因切削厚度较大引起崩刃问题，崩刃后的微齿不能有效切断纤维而引起加工表面质量不能满足要求。下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
本实施例的用于CFRP高速铣削的带端刃立铣刀如图1所示，该带端刃立铣刀由端刃部分I、变分屑槽螺旋角周刃部分II、恒定分屑槽螺旋角周刃部分III以及刀柄部分IV组成。
端刃铣刀的端刃部分I，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上设计有平行式的两条V型容屑槽1，V型容屑槽1槽底宽度L1＝2.1mm，V型容屑槽槽顶宽度L2＝3.8mm，V型容屑槽槽深L3＝1.5mm，V型容屑槽1两侧面倾斜角为δ 1＝δ 2＝50°；端刃第一后角α f1＝7°，端刃第二后角α f2＝14°。所述变分屑槽螺旋角周刃部分II是非对称螺旋交错结构，靠近端刃部分有一段变螺旋角的周刃，该区域指向端刃方向，左旋分屑槽8螺旋角为γ 1＝66.7°时对应周刃长度为L5＝0.5mm,分屑槽8螺旋角为γ 2＝67.5°时对应周刃长度为L6＝0.4mm，分屑槽8螺旋角为γ 3＝75.7°时对应周刃长度为L7＝0.5mm。
铣刀设计时，考虑减少毛刺损伤而降低轴向分力，确定刀具基本几何参数如下：右旋螺旋槽螺旋角θ＝15°，微齿3的长度A＝1.3mm，螺旋槽槽宽B＝0.8mm，铣刀刃数Z 1＝12，铣刀直径D＝10mm，分别选取分屑槽切向长度d 1＝2mm，d 2＝2.3mm，确定微齿齿间宽度c，左旋分屑槽螺旋角β，微齿切向长度f，分屑槽槽数Z 1，并且分析几种不同的排布方式。具体设计方法步骤如下：
步骤1：由铣刀直径D和铣刀刃数Z 1，依据公式(1)计算出微齿齿间宽度 c＝2.618mm。
步骤2：分别选取分屑槽切向长度d 1＝2mm，d 2＝2.3mm，依据公式(2)(3)(4)，分别计算出β 1＝66.7°，β 2＝69.7°，f 1＝3.25mm，f 2＝3.7375mm，Z 21＝6，Z 22＝5。
步骤3：由步骤1、2计算的几何参数，分析分屑槽切向长度d的不同取值下微齿的排布方式：
此时，满足d 1<c<f 1，d 2<c<f 2，均形成微齿上下边缘重叠的排布方式，基于三维绘图软件SolidWorks，可设计出上述两刀具，如图7(a)(b)所示，微齿均有下边缘重叠部分4和上边缘重叠部分5。
为验证考虑微齿排布设计的碳纤维复合材料专用带端刃铣刀的应用效果，采用主轴转速6000rpm，进给量800mm/min时，对厚度为8mm的碳纤维复合材料进行盲槽铣削实验，实验发现：在铣削过程中，考虑微齿排布设计的立铣刀的周刃微齿边缘没有崩刃现象，如图8(a)所示；而未考虑微齿排布设计的铣刀周刃微齿存在崩刃现象，如图8(b)所示。
工业实用性
本发明的微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，特别适合于碳纤维增强复合材料构件中的盲槽、盲窗以及异形盲孔结构的铣削加工，在铣刀端刃部分，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上设计有平行式的V型容屑槽则有效提高铣刀排屑散热的性能，减少切屑对端刃的磨蚀，保证盲窗、盲槽底面加工质量；铣刀变分屑槽螺旋角周刃部分则能降低铣削加工时的刀具颤振，铣刀周刃考虑微齿的合理排布能够避免微齿两边缘部分因切削厚度较大而产生崩刃问题，从而有效保护微齿强度较差的边缘部分，保证铣刀周刃部分的微齿具有长时间的优秀切削性能。因此，本发明涉及的立铣刀旨在针对碳纤维复合材料的铣削加工提高刀具的使用寿命，在工业上应用既能减少换刀时间、 提高加工效率，又能够降低使用成本，最终提高企业经济效益。

Claims (1)

  1. 一种微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀，其特征在于，所述的微齿排布可设计的碳纤维复合材料专用带端刃立铣刀包括端刃部分(I)、变分屑槽螺旋角周刃部分(II)、恒定分屑槽螺旋角周刃部分(III)和刀柄部分(IV)；
    所述的端刃部分(I)设计有端刃前刀面(2)、端刃后刀面(3)以及端刃第二后刀面(4)，同时兼有端刃容屑槽(5)；在端刃部分(I)，以铣刀轴线为中心对称的两条切削刃方向上设计有平行式的V型容屑槽(1)，V型容屑槽(1)呈现槽底窄槽顶宽的结构形状；为保证V型容屑槽(1)既具有良好的排屑性能，又与端刃容屑槽(5)紧密相连，确定V型容屑槽(1)设计结构尺寸槽底宽度L1，V型容屑槽槽顶宽度L2，V型容屑槽槽深L3，V型容屑槽(1)两侧面倾斜角为δ 1＝δ 2；
    所述的变分屑槽螺旋角周刃部分(II)是非对称螺旋交错结构，由m条右旋螺旋槽(7)与n条左旋分屑槽(8)交错形成若干等尺寸的微齿(6)；为了降低铣槽时端刃部分(I)与周刃过渡部分的振动，靠近端刃部分(I)设计有一段变左旋分屑槽螺旋角周刃部分(II)，该变左旋分屑槽螺旋角周刃部分(II)指向端刃方向，左旋分屑槽(8)的螺旋角变化关系为γ 1<γ 2<γ 3；
    将三维立体铣刀沿轴向剖开后展开，选择表征排布方式的恒定分屑槽螺旋角周刃部分(III)，形成以切向和轴向为坐标系的二维铣刀微齿布局图，右旋螺旋槽(7)与左旋分屑槽(8)交错形成微齿(6)，微齿(6)包含下边缘部分(9)和上边缘部分(10)；铣刀设计过程，刀具几何参数已知，微齿(6)的长度A、右旋螺旋槽(7)的槽宽B、右旋螺旋槽(7)的螺旋角θ、铣刀刃数Z 1、铣刀直径D，而微齿(6)的排布方式主要由变量：左旋分屑槽(8)切向长度d，微齿(6)齿间宽度c，左旋分屑槽(7)的螺旋角β，微齿(6)切向长度f，左旋分屑槽(8)槽数Z 2决定；具体设计方法步骤如下：
    步骤1：由铣刀直径D和铣刀刃数Z 1，计算出微齿(6)齿间宽度c；
    Figure PCTCN2018087193-appb-100001
    步骤2：选取左旋分屑槽(8)的切向长度d作为自变量参数，以右旋螺旋槽(7)槽宽B与左旋分屑槽(8)切向长度d边建立三角形，由该三角形几何关系，计算出左旋分屑槽(8)螺旋角β；
    Figure PCTCN2018087193-appb-100002
    同理，以微齿(6)长度A和微齿(6)切向长度f为边长建立三角形，由该三角形几何关系，计算出微齿切向长度f和左旋分屑槽槽数Z 2；
    Figure PCTCN2018087193-appb-100003
    f＝(π×D÷Z 2)-d            (4)
    步骤3：判断是否满足关系d<c<f，若满足，则每一个微齿(6)的下边缘部分(9)和上边缘部分(10)被前一个微齿(6)切削刃覆盖，形成微齿(6)两边缘处重叠排布的方式，若不满足，则回到步骤2重新选取分屑槽切向长度d。
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